KR20120077322A - Ｓｆ６ 분리회수장치 및 방법 - Google Patents

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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 복수의 분리막 모듈을 이용한 다단계의 분리, 회수 공정을 통해 고농도의 SF6로 분리함과 함께 회수율을 향상시킬 수 있는 SF6 분리회수장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 SF6 분리회수장치는 SF6를 포함하는 폐가스에 함유되어 있는 이산화황(SO2) 및 수분을 제거하는 기체 전처리장치와, 상기 폐가스를 제 1 회수기체와 제 1 기타기체로 분리하는 제 1 분리막 모듈과, 상기 제 1 회수기체를 대상으로 제 2 회수기체와 제 2 기타기체로 분리하는 제 2 분리막 모듈과, 상기 제 1 분리막 모듈에 의해 분리된 제 1 기타기체를 저장하는 기타기체 저장탱크와, 상기 기타기체 저장탱크로부터 제 1 기타기체를 공급받아 SF6와 기타기체로 분리하는 제 3 분리막 모듈을 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 회수기체, 제 2 회수기체는 각각 제 1 기타기체, 제 2 기타기체에 대비하여 SF6가 고농도로 포함된 기체인 것을 특징으로 한다.

Description

ＳＦ６ 분리회수장치 및 방법{Apparatus and method for recovery of sulfur hexafluoride}
본 발명은 SF6 분리회수장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 분리막 모듈을 이용한 다단계의 분리, 회수 공정을 통해 고농도의 SF6로 분리함과 함께 회수율을 향상시킬 수 있는 SF6 분리회수장치 및 방법에 관한 것이다.
SF6은 전력기기의 대표적인 전기절연물질이며, 반도체 웨이퍼나 LCD 패널 등의 제조시 세척과정에서 사용되고 있는 물질이다. 이와 같은 SF6은 지구 온난화에 미치는 영향력이 이산화탄소에 비해 약 23900배 이상 높은 것으로 알려져 있으며, 1997년 교토에서 개최된 기후변화협약 당사자회의에서 지구 온난화 지수가 가장 큰 6가지 물질 중 하나로 지목된 바 있다. 따라서, SF6에 대한 처리가 시급히 요구되고 있다.
SF6에 대한 처리 방법으로, 먼저 SF6을 분해하는 방법이 있다. SF6은 매우 안정하기 때문에 분해하기 위해서는 플라즈마와 같은 높은 에너지가 필요하고, 분해 과정에서 S2F10, SF4, HF와 같은 높은 독성과 부식성을 갖는 부산물이 생성되는 단점이 있다. 이와 같은 분해시의 문제점과 함께 SF6의 지속적인 가격 상승을 고려하면 SF6을 효과적으로 회수하여 재사용을 도모하는 것이 생산비용의 절감 측면에서 매우 바람직하다.
SF6을 회수하는 기술은 SF6이 포함된 혼합기체 중 SF6만을 회수하는 기술로서, 일반적인 기체분리법인 심냉법, PSA(pressure swing adsorption)법, 막분리법 등이 적용될 수 있다.
먼저, 심냉법은 대용량, 고농도 처리에는 적합하나 높은 투자비용이 필요하고 에너지 소비 효율이 떨어지는 단점이 있다. 다음으로, 지올라이트와 같은 흡착제를 이용하여 분자크기가 적은 질소 등을 흡착시켜 SF6을 분리하는 기술인 PSA법은 가압과 감압을 교대로 가하여 감압과정에서 흡착되었던 질소 등을 탈착시켜 다음의 가압과정에서 새로운 질소를 흡착하여 질소/SF6 등의 혼합기체를 분리하는 기술이다. 이와 같은 PSA법은 탈착과정에서 SF6이 누출되며, 90% 이상의 회수율을 얻을 수 있지만 시스템에 투입되는 혼합기체 내에 SF6의 농도가 낮은 경우에는 회수된 가스에서의 SF6의 농도가 원래 혼합기체의 60vol% 정도밖에 되지 않아 분리 과정 후 액화 과정을 추가로 적용해야 하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 복수의 분리막 모듈을 이용한 다단계의 분리, 회수 공정을 통해 고농도의 SF6로 분리함과 함께 회수율을 향상시킬 수 있는 SF6 분리회수장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 SF6 폐가스 내에 포함되어 있는 이산화황(SO2) 및 수분을 효과적으로 제거하여 분리막 모듈의 수명을 향상시킴에 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SF6 분리회수장치는 SF6를 포함하는 폐가스에 함유되어 있는 이산화황(SO2) 및 수분을 제거하는 기체 전처리장치와, 상기 폐가스를 제 1 회수기체와 제 1 기타기체로 분리하는 제 1 분리막 모듈과, 상기 제 1 회수기체를 대상으로 제 2 회수기체와 제 2 기타기체로 분리하는 제 2 분리막 모듈과, 상기 제 1 분리막 모듈에 의해 분리된 제 1 기타기체를 저장하는 기타기체 저장탱크와, 상기 기타기체 저장탱크로부터 제 1 기타기체를 공급받아 SF6와 기타기체로 분리하는 제 3 분리막 모듈을 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 회수기체, 제 2 회수기체는 각각 제 1 기타기체, 제 2 기타기체에 대비하여 SF6가 고농도로 포함된 기체인 것을 특징으로 한다.
상기 기체 전처리장치는, 이웃하여 순차적으로 배치된 제 1 챔버 및 제 2 챔버와, 상기 제 1 챔버 내에 충전된 수분 제거물질과, 상기 제 2 챔버 내에 충전된 SO2 제거물질과, 상기 제 2 챔버의 둘레에 구비되어 상기 SO2 제거물질의 온도를 조절하는 가열수단을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 수분 제거물질은 미립자의 제올라이트, 실리카, 몰리큘라 시이브 중 어느 하나이고, 상기 SO2 제거물질은 금속산화물(MO), 제올라이트 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 구성될 수 있으며, 상기 M은 2족 금속이다.
상기 제 1 분리막 모듈은 상기 제 2 분리막 모듈에 대비하여 투과도가 상대적으로 높은 재질로 구성되며, 상기 제 2 분리막 모듈은 상기 제 1 분리막 모듈에 대비하여 SF6 선택도가 높은 재질로 구성될 수 있다. 상기 제 1 분리막 모듈은 폴리카보네이트 재질로 구성될 수 있다.
상기 제 1 분리막 모듈, 제 2 분리막 모듈, 제 3 분리막 모듈 각각은 항온유지장치 내에 구비되며, 상기 항온유지장치는 제 1, 제 2, 제 3 분리막 모듈의 장착 공간을 제공함과 함께 제 1, 제 2, 제 3 분리막 모듈의 온도를 일정하게 유지하며, 상기 항온유지장치는 20?150℃의 온도범위 내에서 조절될 수 있다.
상기 기체 전처리장치의 전단 또는 기체 전처리장치와 제 1 분리막 모듈 사이에 폐가스 안정화탱크가 더 구비되며, 상기 폐가스 안정화탱크는 폐가스 내의 SF6 농도를 일정하게 유지하며, 폐가스 안정화탱크의 온도 조절을 통해 폐가스 내의 SF6 농도를 선택적으로 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 SF6 분리회수장치는 기체 전처리장치, 제 1 내지 제 3 분리막 모듈을 포함하여 구성된 SF6 분리회수장치를 이용한 SF6 분리회수방법에 있어서, 상기 기체 전처리장치에 의해 SF6를 포함하는 폐가스에 함유되어 있는 이산화황 및 수분이 제거되는 단계와, 상기 제 1 분리막 모듈에 의해 상기 폐가스가 <SF6가 포함된 제 1 회수기체>와 <제 1 기타기체>로 분리되고, 상기 제 1 기타기체가 기타기체 저장탱크에 저장되는 단계 및 상기 제 1 회수기체가 상기 제 2 분리막 모듈에 의해 <SF6가 포함된 제 2 회수기체>와 <제 2 기타기체>로 분리되는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 기타기체 저장탱크에 저장된 제 1 기타기체는 제 3 분리막 모듈에 의해 SF6와 기타기체로 분리되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 SF6 분리회수장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
다단의 분리막 모듈을 통해 SF6 회수율을 향상시킬 수 있으며, 기체 전처리장치를 적용함으로써 폐가스 내에 포함되어 있는 이산화황 및 수분을 제거할 수 있다. 이를 통해 분리막 모듈의 수명을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SF6 분리회수장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 전처리장치의 구성도.
본 발명에 따른 SF6 분리회수장치 및 방법은 SF6가 포함되어 있는 폐가스를 SF6와 기타기체로 분리하여 SF6를 회수함에 특징이 있으며, 이와 함께 상기 폐가스 내에 포함되어 있는 이산화황(SO2) 및 수분을 제거함에도 그 특징이 있다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 SF6 분리회수장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SF6 분리회수장치는 크게 기체 전처리장치(120), 제 1 분리막 모듈(130), 제 2 분리막 모듈(140), 기타기체 저장탱크(150) 및 제 3 분리막 모듈(160)의 조합으로 이루어진다.
상기 기체 전처리장치(120)는 폐가스 내에 포함되어 있는 SO2 및 수분을 제거하는 것으로서, 세부적으로 도 2에 도시한 바와 같이 제 1 챔버(121), 제 2 챔버(123) 및 가열수단(125)을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 폐가스라 함은 SF6와 기타기체의 혼합가스로서 상기 기타기체는 O2, N2, CO2 등을 의미한다.
상기 제 1 챔버(121)와 제 2 챔버(123)는 이웃하여 순차적으로 배치되며, 상기 제 1 챔버(121) 내에는 수분 제거물질(122)이 구비되고 상기 제 2 챔버(123) 내에는 SO2 제거물질(124)이 구비된다. 상기 수분 제거물질(122)은 흡습성이 우수한 제올라이트(zeolite), 실리카 및 몰리큘라 시이브(molecular sieve) 등이 이용될 수 있으며, 상기 SO2 제거물질(124)로는 이산화황의 반응 흡착 효율이 높은 금속산화물(MO), 제올라이트 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이 이용될 수 있다. 이 때, 상기 M은 구리(Cu)와 같은 2족 금속이 사용될 수 있다(이 경우, 금속산화물은 CuO).
또한, 상기 수분 제거물질(122)과 SO2 제거물질(124)을 순차적으로 제거시키기 위하여 미립자 형태로 각각 제 1 챔버(121), 제 2 챔버(123) 내에 충전되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 제 2 챔버(123) 내에서 상기 SO2 제거물질(124)로의 SO2 반응 흡착 효율을 향상시키기 위해 상기 제 2 챔버(123)의 둘레에 가열수단(125)이 구비될 수 있으며, 상기 제 2 챔버(123)를 통과한 폐가스는 상기 제 1 분리막 모듈(130)로 공급된다. 상기 가열수단은 100?250℃의 범위로 조절되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 분리막 모듈(130)과 제 2 분리막 모듈(140)은 순차적으로 배치되어 폐가스 내에 포함되어 있는 SF6를 회수하는 역할을 수행하는데, 상기 제 1 분리막 모듈(130)에 의해 예비 회수과정이 진행되고, 상기 제 2 분리막 모듈(140)에 의해 최종 회수과정이 진행된다.
구체적으로, 상기 제 1 분리막 모듈(130)은 상기 제 2 챔버(123)를 통과한 폐가스를 대상으로 1차적으로 제 1 회수기체와 제 1 기타기체로 분리한다. 상기 제 1 회수기체는 상기 제 1 기타기체에 대비하여 SF6가 고농도로 포함된 기체를 의미하며, 상기 제 1 기타기체 내에는 미량의 SF6가 포함된다. 상기 제 2 분리막 모듈(140)은 상기 제 1 회수기체를 대상으로 제 2 회수기체와 제 2 기타기체로 분리하는 역할을 하며, 상기 제 2 회수기체는 실질적으로 SF6를 의미한다.
상기 제 1 분리막 모듈(130)에 의해 1차적으로 저농도의 SF6가 포함된 제 1 회수기체가 걸러지고, 제 2 분리막 모듈(140)에 의해 2차적으로 고농도의 SF6가 포함된 제 1 회수기체가 회수되는 방식임에 따라, SF6의 회수 효율을 향상시키기 위해서는 제 1 분리막 모듈(130)은 제 2 분리막 모듈(140)에 비해 상대적으로 투과율이 높은 것이 바람직하며, 상기 제 2 분리막 모듈(140)은 제 1 분리막 모듈(130)에 비해 상대적으로 SF6 선택도가 높은 것이 바람직하다. 여기서, 저농도와 고농도는 제 1 회수기체와 제 2 회수기체의 상대적인 SF6 농도를 의미하며, 투과율은 분리막 모듈의 길이 방향으로의 투과율을 의미하며, SF6 선택도가 높음은 각각의 분리막 모듈에 의해 분리된 회수기체 내의 SF6 농도가 높음을 의미한다. 이와 같은 조건을 만족하기 위해 상기 제 1 분리막 모듈(130)은 상대적으로 투과율이 우수한 폴리카보네이트(PC, polycarbonate) 재질로 구성할 수 있으며, 상기 제 2 분리막 모듈(140)은 상대적으로 SF6 선택도가 우수한 폴리설폰 또는 폴리이미드 등의 재질로 구성할 수 있다.
한편, 상기 제 1 분리막 모듈(130), 제 2 분리막 모듈(140), 제 3 분리막 모듈(160) 각각은 항온유지장치(170) 내에 구비될 수 있다. 상기 항온유지장치(170)는 제 1, 제 2, 제 3 분리막 모듈(130)(140)(160)의 장착 공간을 제공함과 함께 제 1, 제 2, 제 3 분리막 모듈(130)(140)(160)의 온도를 일정하게 유지하는 역할을 한다. 기체상수(R)는 온도에 따라 가변적이고, 이와 같이 기체상수가 변하게 되면 제 1, 제 2, 제 3 분리막 모듈(130)(140)(160)에서의 기체 투과도가 달라지기 때문에 분리막 모듈은 일정 온도로 유지해야 한다. 또한, 분리막 모듈의 처리효율을 고려하여 상기 항온유지장치(170)는 20?150℃의 온도범위 내에서 조절하는 것이 바람직하다.
상기 기타기체 저장탱크(150)는 상기 제 1 분리막 모듈(130)에 의해 분리된 제 1 기타기체를 저장하여 상기 제 3 분리막 모듈(160)에 공급하는 역할을 한다. 상기 제 1 기타기체는 O2, N2, CO2 등의 기타기체와 함께 미량의 SF6가 포함된 기체임에 따라, 상기 제 1 기타기체를 대상으로 재차 SF6와 기타기체로 분리하는 것은 SF6 분리효율이 저하된다. 따라서, 제 1 분리막 모듈(130)에 의해 분리되는 제 1 기타기체를 일정량 이상 저장한 후 SF6와 기타기체로 분리하는 것이 바람직하며, 이와 같은 목적으로 상기 기타기체 저장탱크(150)가 이용된다.
상기 제 3 분리막 모듈(160)은 상기 기타기체 저장탱크(150)에 저장된 제 1 기타기체를 SF6와 기타기체로 분리하는 역할을 한다. 상기 제 3 분리막 모듈(160) 역시 상기 제 2 분리막 모듈(140)과 마찬가지로 최종 단계의 분리막 모듈임에 따라, SF6 선택도가 우수한 재질로 분리막 모듈이 구성되는 것이 바람직하며, 일 예로 상기 제 2 분리막 모듈(140)과 동일 재질로 구성할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 SF6 분리회수장치를 설명하였는데, 상술한 바와 같은 구성요소 이외에 폐가스 안정화탱크(110)가 더 구비될 수 있다.
제 1 분리막 모듈(130)에 공급되는 폐가스는 SF6 기체의 농도가 일정치 않기 때문에 폐가스 내의 SF6 농도를 일정하게 유지할 필요가 있다. 이를 위해 폐가스를 안정화하기 위한 폐가스 안정화탱크(110)가 구비되며, 상기 폐가스 안정화탱크(110)는 기체 전처리장치(120)의 전단 또는 기체 전처리장치(120)와 제 1 분리막 모듈(130) 사이에 구비된다.
이와 같이, 폐가스 내의 SF6 농도를 일정하게 유지, 공급하는 이유는, 제 1 내지 제 3 분리막 모듈(160)의 처리효율 및 SF6의 회수율을 정확히 파악하기 위함이며, SF6의 농도를 일정하게 하는 방법은 폐가스 안정화탱크(110) 내의 폐가스를 일정 온도 하에서 일정 시간 동안 유지시키는 것을 통해 이룰 수 있다. 또한, 폐가스 안정화탱크(110)의 온도 조절을 통해 폐가스 내의 SF6 농도를 선택적으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 온도조절장치를 통해 폐가스 안정화탱크(110) 내의 온도를 상승시켜 SF6의 농도를 낮추거나 반대로, 온도를 하강시켜 SF6의 농도를 높일 수 있다.
110 : 폐가스 안정화탱크 120 : 기체 전처리장치
121 : 제 1 챔버 122 : 수분 제거물질
123 : 제 2 챔버 124 : SO2 제거물질
125 : 가열수단 130 : 제 1 분리막 모듈
140 : 제 2 분리막 모듈 150 : 기타기체 저장탱크
160 : 제 3 분리막 모듈 170 : 항온유지장치

Claims (12)

  1. SF6를 포함하는 폐가스에 함유되어 있는 이산화황(SO2) 및 수분을 제거하는 기체 전처리장치;
    상기 폐가스를 제 1 회수기체와 제 1 기타기체로 분리하는 제 1 분리막 모듈;
    상기 제 1 회수기체를 대상으로 제 2 회수기체와 제 2 기타기체로 분리하는 제 2 분리막 모듈;
    상기 제 1 분리막 모듈에 의해 분리된 제 1 기타기체를 저장하는 기타기체 저장탱크;
    상기 기타기체 저장탱크로부터 제 1 기타기체를 공급받아 SF6와 기타기체로 분리하는 제 3 분리막 모듈을 포함하여 이루어지며,
    상기 제 1 회수기체, 제 2 회수기체는 각각 제 1 기타기체, 제 2 기타기체에 대비하여 SF6가 고농도로 포함된 기체인 것을 특징으로 하는 SF6 분리회수장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기체 전처리장치는,
    이웃하여 순차적으로 배치된 제 1 챔버 및 제 2 챔버와,
    상기 제 1 챔버 내에 충전된 수분 제거물질과,
    상기 제 2 챔버 내에 충전된 SO2 제거물질과,
    상기 제 2 챔버의 둘레에 구비되어 상기 SO2 제거물질의 온도를 조절하는 가열수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 SF6 분리회수장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 수분 제거물질은 미립자의 제올라이트, 실리카, 몰리큘라 시이브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 SF6 분리회수장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 SO2 제거물질은 금속산화물(MO), 제올라이트 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이며, 상기 M은 2족 금속인 것을 특징으로 하는 SF6 분리회수장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분리막 모듈은 상기 제 2 분리막 모듈에 대비하여 투과도가 상대적으로 높은 재질로 구성되며, 상기 제 2 분리막 모듈은 상기 제 1 분리막 모듈에 대비하여 SF6 선택도가 높은 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 SF6 분리회수장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분리막 모듈은 폴리카보네이트 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 SF6 분리회수장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분리막 모듈, 제 2 분리막 모듈, 제 3 분리막 모듈 각각은 항온유지장치 내에 구비되는 것을 특징으로 하는 SF6 분리회수장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 항온유지장치는 제 1, 제 2, 제 3 분리막 모듈의 장착 공간을 제공함과 함께 제 1, 제 2, 제 3 분리막 모듈의 온도를 일정하게 유지하며, 상기 항온유지장치는 20?150℃의 온도범위 내에서 조절되는 것을 특징으로 하는 SF6 분리회수장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 기체 전처리장치의 전단 또는 기체 전처리장치와 제 1 분리막 모듈 사이에 폐가스 안정화탱크가 더 구비되며,
    상기 폐가스 안정화탱크는 폐가스 내의 SF6 농도를 일정하게 유지하며,
    폐가스 안정화탱크의 온도 조절을 통해 폐가스 내의 SF6 농도를 선택적으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 SF6 분리회수장치.
  10. 기체 전처리장치, 제 1 내지 제 3 분리막 모듈을 포함하여 구성된 SF6 분리회수장치를 이용한 SF6 분리회수방법에 있어서,
    상기 기체 전처리장치에 의해 SF6를 포함하는 폐가스에 함유되어 있는 이산화황 및 수분이 제거되는 단계;
    상기 제 1 분리막 모듈에 의해 상기 폐가스가 <SF6가 포함된 제 1 회수기체>와 <제 1 기타기체>로 분리되고, 상기 제 1 기타기체가 기타기체 저장탱크에 저장되는 단계; 및
    상기 제 1 회수기체가 상기 제 2 분리막 모듈에 의해 <SF6가 포함된 제 2 회수기체>와 <제 2 기타기체>로 분리되는 단계를 포함하여 이루어지며,
    상기 기타기체 저장탱크에 저장된 제 1 기타기체는 제 3 분리막 모듈에 의해 SF6와 기타기체로 분리되는 것을 특징으로 하는 SF6 분리회수방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 기체 전처리장치는,
    이웃하여 순차적으로 배치된 제 1 챔버 및 제 2 챔버와, 상기 제 1 챔버 내에 충전된 수분 제거물질과, 상기 제 2 챔버 내에 충전된 SO2 제거물질과, 상기 제 2 챔버의 둘레에 구비되어 상기 SO2 제거물질의 온도를 조절하는 가열수단을 포함하여 구성되며,
    상기 폐가스는 상기 제 1 챔버와 제 2 챔버를 거치면서 이산화황 및 수분이 제거되는 것을 특징으로 하는 SF6 분리회수방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 기체 전처리장치의 전단 또는 기체 전처리장치와 제 1 분리막 모듈 사이에 폐가스 안정화탱크가 더 구비되며,
    상기 폐가스 안정화탱크에 의해 폐가스 내의 SF6 농도를 일정하게 유지되며, 폐가스 안정화탱크의 온도 조절을 통해 폐가스 내의 SF6 농도를 선택적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 SF6 분리회수방법.
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